我國微生物航天誘變育種的應用及研究進展

馬 成，馬偉超，安建平，李師翁

（1.蘭州交通大學化學與生物工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.天水師范學院生命科學與化學學院，甘肅 天水 741001）

隨著當今科學技術的發展，人類對地面、海洋、大氣空間的研究認識越來越深入，科研人員找到了新的研究領域——宇宙空間。自從1957年第一顆人造地球衛星發射成功以來，科研人員就著想如何研究太空環境并且開發太空資源為人類造福。尤其是近些年來，航空航天技術發展迅猛，其在生物材料中的應用已成為人類日常生活中的重要組成部分，例如太空誘變蔬菜等太空產品已經推廣到普通大眾的消費中，并且開始大規模產業化生產。

利用返回式衛星或宇宙飛船將生物材料搭載到宇宙空間，利用太空的特殊環境對生物材料進行誘變，再返回地面，進而選育新材料、培育新品種的生物育種技術稱作航天誘變育種或空間誘變育種、太空育種。太空環境的特有條件有可能引起生物體發生遺傳性變異，這些特有條件包括超高真空、超潔凈、微重力、強輻射，并且與地面條件有很大差異，另外，還有強烈的紫外線照射等[1]。太空環境是太空科學研究的一個特殊的重要領域。突變頻率高、突變譜廣、變異幅度大是空間變異最大的特點，并且突變后的變異性狀穩定，從而使育種周期縮短、生物安全性提高。1957～1988年已經進行空間生命科學研究的衛星有109個，幾乎每次都搭載微生物材料。近些年微生物航天誘變的研究進展迅速，已涉及微生物形態學、細胞學、生理生化和分子生物學等諸多領域[2]。

1 微生物航天誘變育種的作用機制

太空環境的特征包括微重力、超真空、空間輻射等，一般認為微重力和太空輻射是微生物航天育種的主要誘變因素。

1.1 太空輻射對微生物的影響

太空中存在著能穿透飛行艙的各種高能粒子。搭載的材料被各種高能粒子擊中后，可能引起生物遺傳物質DNA的斷裂或者損傷。若損傷不能及時修復，便會導致生物體產生可遺傳的變異，其作用機理類似常規輻射[3]。輻射可使DNA產生多種類型的損傷，包括堿基變化（如脫氨基）、堿基缺失、堿基脫落、氫鍵斷裂、單鍵斷裂、雙鍵斷裂、雙螺旋內部的交聯或與其他DNA分子的交聯以及與蛋白質的交聯等，并且由輻射造成的DNA鏈斷裂可以造成染色體結構的變化[4-5]。George等[6]發現，空間輻射可使染色體異常增加并使細胞有絲分裂延遲，從而誘產生突變，說明空間輻射可使染色體發生變化。Horneck等[7]以Bacillus subtilis為材料，發現受宇宙強紫外線輻射，孢子的存活率降低，原因是孢子的DNA鏈斷裂，致使突變發生。Hahn等[8]將真菌（Sordariamacrospora Auersw）搭載在STS-81衛星上進行太空誘變，從數據的統計分析看出，由空間高能重粒子（HZE）引起的突變重組率顯著提高。Nelson等[9-10]將線蟲在微重力下進行單獨的HZE輻射，在一套由350個必要基因組成的unc-22結構基因模型中進行誘變實驗，其結果顯示實驗組的誘變率較對照組提高了8倍，表明HZE輻射可以顯著地提高菌株的突變率。

1.2 微重力對微生物的影響

在太空環境中的重力僅僅為地球的百萬分之一到十萬分之一，重力是影響微生物生長的主要因素之一，也是產生突變的重要原因[11]。太空微重力對微生物的誘變率和修復作用雖然不產生直接的影響，但微重力的存在會促進誘變的發生，使得微生物受太空輻射的影響加深[10]。Takahashi等[12]分析了太空環境中微重力對Escherichia coli和Saccharomyces cerevisiae的作用效果，結果表明兩種菌株經過太空搭載飛行后，其遺傳物質DNA均出現不同程度的突變和SOS效應，暗示微重力誘發了菌株變異及SOS效應的產生。Pross等[13]提出了一個空間試驗的設計方案來分析微重力環境對受輻射的DNA鏈斷裂修復的影響，結果表明在微重力條件下，可提高微生物的輻射變異率，微重力環境可能阻延或抑制DNA斷裂的修復，干擾DNA損傷修復系統的正常運作。2004年印紅等[14]分析了航天誘變后紅曲霉突變株的染色體DNA隨機擴增多態性，結果表明突變株的基因組DNA中堿基序列5’-GTTGC-GATCC-3’所在位置的堿基出現了變異，由此證實太空條件可顯著地提高微生物中某些基因的突變頻率，航天搭載可成為獲得微生物優良菌株的有效新途徑。2008年河北大學陳繼紅等[15]通過“實踐8號”育種衛星搭載了刺糖多孢菌SP1，篩選得到2株高產多殺菌素且遺傳性狀相對穩定的菌株HY463和HY466，說明太空環境的微重力等誘變條件能使刺糖多孢菌的遺傳物質發生較大改變。

微生物的航天誘變是太空中諸多因素綜合作用的結果，空間輻射和微重力在這些因素的基礎上引起遺傳物質的結構發生改變進而產生變異。

2 微生物航天誘變育種的研究進展

2.1 微生物航天誘變產次級代謝產物

2003年印紅、謝申義等[16]利用“神舟3號”返回式飛船搭載了紅曲霉菌，搭載后樣品經分離得到484株紅曲霉菌，發現有233株菌的洛伐他汀產量高于對照菌株。研究發現搭載后的菌體生長狀態出現多種變化，分離到的株菌在同樣培養條件下表現出不同的生長速度，其菌絲數量、菌絲長度、菌體顏色也出現了不同程度的變化，經變異穩定性實驗及顯著性分析顯示，其中11株與對照菌株差異顯著，誘變結果中高產突變率為2.3%。這說明航天誘變能選育出具有顯著差異的突變株。2005年方曉梅等[17]將弗氏鏈霉菌（streptomycesfradiae）9940S+-86連續經“神舟”1、3、4號飛船搭載進行太空誘變選育，篩選得到48株菌的效價高于出發菌株，泰樂菌素總效價最高達到14 950μg/mL，較出發菌株提高91.5%，菌株的形態發生明顯變化，研究表明航天誘變獲得突變菌株其產量與形態變異有關。陳繼紅等[15]的研究表明，篩選的菌株HY463、HY466，其多殺菌素總效價分別達到147.51 μg/mL和95.33μg/mL，較出發菌株分別提高了288%和151%。有研究表明，太空誘變與UV、60Co、亞硝基肌[18-20]等其他誘變方法相比，能使刺糖多孢菌產多殺菌素的能力得到較大地提高，可以成為選育多殺菌素高產菌株的有效方法。2008年湖南農業大學侯艷梅等[21]采用太空誘變選育利用木糖生產L-乳糖的高產菌株，得到1株正向突變菌株Lts，L-乳糖產量較出發菌株提高約12.0%，經過遺傳穩定性試驗，該菌株隨傳代次數的增多L-乳酸產量基本不變，表明航天誘變獲得的高產突變菌株產L-乳酸的性狀穩定。2010年清華大學蔣培霞等[22-23]利用太空搭載對合成紫色桿菌素的弗氏檸檬酸桿菌（Citrobacter freundii）基因工程菌株進行了太空誘變，篩選得到1株紫色桿菌素高產菌株Ms4，其紫色桿菌素濃度較出發菌株提高約143.8%，是目前國際上已報道的搖瓶最高產量的4.88倍，說明航天誘變能有效選育出紫色桿菌素合成能力高、遺傳穩定性較好的突變菌株。2011年中國科學院荊士華等[24]對Vc一步發酵菌生黑醋酸桿菌進行航天搭載誘變，獲得1株高效菌G454，可縮短發酵周期10%，提高山梨醇產率7.68%，具有高醇濃發酵的潛力，說明航天誘變可以篩選出性狀更優良且能帶來巨大經濟效益的突變菌株。2011年周方方等[25]利用太空搭載對可產生胞外多糖（EPS）的干酪乳桿菌LC2W進行了太空誘變，得到3株產EPS能力提高幅度大，并且遺傳穩定的菌株LC2W-1、LC2W-2、LC2W-3，其中LC2W-1產量最高，經過對其發酵條件的優化，所得LC2W-1胞外多糖量為（276.76±7.34）mg/mL，較未優化前提高44.54%，較未誘變的菌株提高了104.93%。微生物產生次級代謝產物主要是由遺傳物質中某些基因調控位點所控制，采用傳統的誘變方法雖然能獲得性狀發生改變的菌株，但其突變效率很低且篩選出的菌株容易在傳代過程中丟失性狀，突變很不穩定。微生物的航天誘變能明顯改變微生物的某些基因位點，進而改良微生物的發酵特性，還可以獲得傳統誘變方法難以獲得的罕見突變。

2.2 微生物航天誘變產酶

1998年曾輝等[26]利用返地科學實驗衛星搭載了耐高溫α-淀粉酶HTAA-340菌株，成功選育出1株高產α-淀粉酶的H-HTAA-340菌株，該菌株用于工業化生產比出發菌株的發酵單位平均提高了13%，說明航天誘變能顯著地提高發酵單位的酶活。2004年中國食品發酵工業研究院的王璋等[27]利用“神州4號”無人飛船搭載了產微生物轉谷氨酰胺酶（MTG）的鏈霉菌株，分離得到733株突變株，經選育馴化后，得到一系列MTG生產能力顯著提高的突變菌株，其中最高產酶菌株Streptomyces sp.WZFF.L-M168-L3-1-25的酶活提高40%以上，達到3.26 U/mL，超過當時國際最高水平，由此可見，通過航天誘變可以篩選得到高產MTG的菌株，且酶活高于其他誘變選育出的菌株。2007年甘肅農業大學馬旭光等[28]對航天誘變過的黑曲霉（Aspergillus niger）進行了篩選，得到了1株纖維素酶的高產菌株 ZM-8，其濾紙酶（FPA）、纖維二糖水解酶（C1）、葡聚糖內切酶（CMCase）、β-葡萄糖苷酶（β-Glase）的酶活分別為 110.2、389.9、489.3、1 208.1 U/g，相比出發菌株酶活分別提高2.1、3.5、1.7、1.8倍。經過傳代試驗表明，該菌株具有較好的產酶穩定性。由此可見，空間微重力、輻射等諸多特殊的條件可使微生物發生正向變異，且變異菌株的優良性狀具有較好的遺傳穩定性。2009年廣東省農業科學院胡珍娣等[29]對產抑菌霉素A17的放線菌GAAS7310（Streptomyces sp.）進行空間誘變選育，篩選出高產菌株TK1，其產抑菌霉素效價比原始菌株提高了約60%，通過酯酶同工酶分析，發現突變株和出發菌株的酯酶同工酶在酶譜帶數量上沒有很大的差異，僅在一條譜帶上表現為量的增加。這說明航天誘變確實對合成酯酶同工酶的基因片段產生了某些影響，使其發生變異，但這些變異并不大，這有可能是在另外一些基因片段上發生了變化，進而影響了其他一些酶的數量或種類。

2.3 航天誘變選育生物防治優良菌株

2006年研究人員對8個昆蟲病原真菌菌株進行航天搭載，其中5株在搭載后全部死亡，菌株M2029和MR8的存活率僅為10-7，菌株M189的存活率達到20%以上。誘變后的菌株在生長速度、產孢量和致病能力上均發生了不同程度的變異，經初步測定，航天誘變菌株HM189-68s、HM189-32c、HM189-127和HM189-17在生長特性和致病力方面發生了較大幅度的正向變異，可進一步測定篩選優良的生物防治應用菌株。航天誘變可以為篩選優良的生物防治應用菌株提供新的可靠途徑[30]。

微生物的傳統誘變育種往往會出現平頂效應（plateau effect），即經常連續使用同一誘變劑或者誘變方式，誘變效果會隨著使用次數的增加而降低。而太空誘變育種是利用太空特有環境真空、失重、各種宇宙射線和超低溫協同誘變作用，進而使菌種產生變異，再從中選育出所需的優良突變株。環境條件的極大變化，使得在航天誘變育種過程中產生的突變菌株菌落形態、菌體性狀特征發生較大的變化，存活率下降，有利于篩選的進行。但是由于誘變篩選的不確定性，航天誘變致死率的增加在一定程度上也增加了篩選的難度。

微生物的航天誘變為微生物的誘變選育提供了新的途徑，航天誘變可以明顯地改變微生物的生長性狀，表現在生長速度、生長形態、生長特性等方面。這些性狀的改變，使微生物產生代謝產物的能力發生改變。與同等情況下傳統誘變育種相比，航天誘變育種的效果明顯，且性狀的遺傳穩定性較好，具有很大的應用潛力，能帶來巨大的經濟效益。

3 微生物航天誘變中存在的問題和展望

目前，微生物的航天誘變育種還存在著很多問題。一方面，微生物的航天誘變育種主要體現在直觀研究方面，而基礎理論研究及誘變機理研究還比較少。在判斷突變菌株產生的高產性狀是否穩定方面，常規的培養檢測方法還不足以證明，仍需通過其他手段來驗證這些變異菌株的基因是否發生了變化。另一方面，在一些航天誘變的試驗中出現的微生物遺傳性狀的改變，而在其他一些試驗中卻沒有表現出來，原因是由于不同種屬的微生物之間存在著差異性，說明微生物的航天誘變過程存在著不可預見性。因此，為了使航天誘變育種成為微生物誘變育種的可靠方法，今后的研究應將實踐和理論依據結合起來，在實踐研究的基礎上深入研究其分子生物學和生化機理，研究各誘變因素間的相互作用，以增強微生物航天誘變選育的預見性及利用價值。

航天誘變是微生物誘變育種的新途徑，微生物通過航天誘變可以改善自身的生長性狀，提高次級代謝產物產量，產生新品種。實踐證明，航天誘變既能明顯改良微生物的發酵特性，又能獲得地面育種所難以得到的突變菌株，其變異幅度大、頻率高、遺傳穩定性好。它為微生物的誘變育種提供了新方法，隨著科學研究的不斷深入，航天誘變技術必將為微生物誘變育種創造更大的經濟價值和社會價值。

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